本发明属于局部放电领域，尤其涉及一种局部放电检测方法。
背景技术：
电气设备的绝缘材料在制造或日常运行中容易出现气泡缺陷，在一些老化的材料中也经常能观察到空气气隙的存在。这些空气气隙的耐受电压比周围的绝缘材料要低，因此当外施电压达到一定值时，这些缺陷更容易引起局部放电。局部放电是导致电气设备绝缘劣化的一个重要因素，局部放电测量常用于分析高压设备电气绝缘材料的健康状况，评估电气设备的使用寿命。因此，对局部放电的实时监测对维护电力系统安全具有重要意义。
传统的局部放电监测方法有脉冲电流法、特高频法、超声波法、化学监测法等。每种方法都有其自身的缺陷和不足，为了更好的对局部放电进行监测，本发明旨在提供一种新的局放监测思路，通过外施高频电磁波来监测设备或物体内部是否发生局部放电。
技术实现要素：
为解决现有局部放电监测的局限，弥补传统局部放电监测手段的不足。本发明提供一种一种基于高频电磁波的局部放电检测方法，通过发射高频电磁波检测设备或物件中是否发生局放放电，对监测区域发射高频电磁波，通过观察波形的变化，判断其内部是否发生局部放电。
本发明提供的一种新型的局放监测方法，包括以下步骤：
确定需要进行局部放电监测的区域；
在监测区域外设置用于照射监测区域的高频电磁波源；
在监测区域内部和外部分别设置数个电磁波接收监测点；
当监测区域内部未发生局部放电时，记录各监测点接收到的电磁波信号作为参照信号；
持续监控各监测点接收到的电磁波信号，通过比照监控时接收到的电磁波信号与参照信号之间的变化判断是否发生局部放电。
进一步地，所述进行局部放电监测的区域是电气设备或者试验装置。
进一步地，还包括采用仿真对所述方法进行验证的步骤，仿真步骤包括：
构建用于模拟局部放电行为及放电特性的局部放电数值仿真模型，得到局部放电下的电气参数；
在电磁场仿真软件中搭建局放电磁波检测模型，所述搭建局放电磁波检测模型包括选定监测区域、在监测区域外设置高频电磁波源以及在监测区域内没有复杂结构处设置监测点；当监测区域未设置局放区域时，观察高频电磁波源发出的电磁波被监测点接收到的波形；
将局部放电下的电气参数赋予到监测区域内，此时监测区域内赋予了所述电气参数的那部分区域为发生了局部放电的区域，观察此时高频电磁波源发出的电磁波被监测点接收到的波形，通过比较，此时的波形相对于未设置局放区域时接收到波形发生了改变。
进一步地，构建局部放电数值仿真模型得到局部放电下的电气参数，步骤如下：
在仿真软件中建立二维轴对称模型，所述二维轴对称模型用于模拟带有空隙的均匀介质材料在外施电压时的放电情况，并将背景气体及所涉及的化学粒子及其化学反应式输入二维轴对称模型；
所述二维轴对称模型模拟放电过程，并将局部放电过程中的电子密度和电子碰撞频率转化为电气参数。
进一步地，所述仿真软件为comsol仿真软件。
进一步地，所述将放电过程的电子密度和电子碰撞频率转化为电气参数中，所述电气参数包括介电常数和电导率，所述电气参数的获得方式为：
从局部放电数值仿真模型中得到放电峰值时刻的电子密度值、电子碰撞频率值；
将所述电子密度值和所述电子碰撞频率值代入公式(1)、公式(2)和公式(3)，得到代表局部放电的所述介电常数和所述电导率；
式中，ωpe代表等离子体密度，ne代表电子密度，e代表电子，me代表电子质量，ω代表监测区域的外施电压频率，vm代表电子碰撞频率，该等离子体受一个频率为ω的电场驱动。
进一步地，所述局部放电数值仿真模型模拟放电过程时，通过调节外施参数和改变局放缺陷类型得到具有不同放电特性的局部放电过程，进而获得不同放电特性下的电子密度和电子碰撞频率，根据不同放电特性下的电子密度和电子碰撞频率得到不同放电特性下的为电气参数。
进一步地，将不同放电特性下电气参数赋予到监测区域内，以在监测区域设置具有不同放电特性的局部放电的区域，再对比经过具有不同放电特性的局部放电区域，电磁波监测点接收到的数据变化。
进一步地，所述电磁场仿真软件为xfdtd软件。
进一步地，基于等离子流体方程构建所述局部放电数值仿真模型，所述等离子流体方程描述了电子、正负离子三种粒子的动力学过程，所述等离子流体方程为：
其中，ne表示电子密度，гe表示电子通量，源项se描述了电子数密度由于化学反应而产生的变化，nε表示电子能量，гε别表示电子能量通量，电子能量源项sε表示由非弹性碰撞引起的能量的增益或损失，e代表电场强度，μe表示电子迁移率，de代表电子扩散系数。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
(1)本发明提供的检测方法，通过在监测区域外施高频电磁波照射监测区域，在监测区域内外设置监测点，通过将监测点处接收到的电磁波信号波形与未发生局部放电时的电磁波信号波形进行比较，来判断监测区域是否发生局部放电，监测稳定性更高。
(2)本发明可以为实际检测局部放电提供一种新的思路，为局部放电的电磁监测等工作提供参考。
附图说明
图1是本发明实施例构建的局部放电数值仿真模型示意图。
图2是本发明实施例搭建的局放电磁波监测模型中的同轴圆筒模型示意图。
图3是本发明实施例中插入不同介质后的模型示意图。
图4是本发明实施例中在局放等离子体介质下监测点接收到的不同距离激励下电场强度随时间变化的数据示意图。
图5是本发明实施例中在真空介质下监测点接收到的不同距离激励下电场强度随时间变化的数据示意图。
图6是本发明实施例提供的监测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
本发明提供的一种局部放电检测方法，包括以下步骤：
步骤1：确定需要进行局部放电监测的区域。
在本发明其中一个实施例中，进行局部放电监测的区域是电气设备。当然，在其他实施例中也可以采用其他物体作为监测区域，如试验装置。
步骤2：在监测区域外设置用于照射监测区域的高频电磁波源。
步骤3：在监测区域内部和外部分别设置数个电磁波接收监测点。
步骤4：当监测区域内部未发生局部放电时，记录各监测点接收到的电磁波信号作为参照信号。
步骤5：持续监控各监测点接收到的电磁波信号，通过比照监控时接收到的电磁波信号与参照信号之间的变化判断是否发生局部放电。
本发明提供的监测方法，通过对监测区域发射高频电磁波，将得到的波形与未发生局部放电时的波形进行比较，观察波形的变化，以判断其内部是否发生局部放电。
为了验证本发明方法的有效性，本发明通过仿真模拟试验进行验证。仿真步骤如下：
步骤s1、构建用于模拟局部放电行为及放电特性的局部放电数值仿真模型，得到局部放电下的电气参数。
在本发明其中一个实施例中，局部放电数值模型是基于等离子流体方程构建的，不同于传统的局部放电仿真模型，该方程描述了电子、正负离子三种粒子的动力学过程，能够帮助从微观角度分析局部放电背后的物理现象。基于该仿真模型得到的局部放电信息(如电子密度、电子碰撞频率)能帮助更好的定性分析局放微观过程。所述等离子流体方程为：
其中，ne表示电子密度，гe表示电子通量，源项se描述了电子数密度由于化学反应而产生的变化，nε表示电子能量，гε别表示电子能量通量，电子能量源项sε表示由非弹性碰撞引起的能量的增益或损失，e代表电场强度，μe表示电子迁移率，其值通过bolzmann求解器bolsig 计算得到，de代表电子扩散系数，通过爱因斯坦关系求得：
de＝μete(8)
具体的，本步骤具体包括：
步骤s11：在仿真软件中建立二维轴对称模型，所述二维轴对称模型用于模拟带有空隙的均匀介质材料在外施电压时的放电情况，在搭建局放模型时，需要联系模型的实际背景气体，并将该背景气体及所涉及的化学粒子及其化学反应式输入二维轴对称模型。
步骤s11具体包括以下子步骤：
步骤s111：确定背景气体，以及该背景气体及所涉及的化学粒子及其化学反应式。并且在comsol仿真软件中设置仿真模拟时的电压、频率、模型的尺寸如本实施例中的长宽、介质板厚度及介质板上下间隙宽度。
在本发明其中一个实施例中，背景气体是空气，在模型的构建中考虑了空气中主要的20种化学粒子，即电子，n2 、n4 、o2 、o4 、o-和o2-离子，n和o基态原子，n2、o2和o3基态分子，o(1d)激发态原子，n2(a)和n2(b)电子激发态氮分子，n2(v＝1-4)和o2(v＝1-2)振动激发态分子，v表示振动态，o2(a)、o2(b)和o2(c)电子激发态氧分子。并在模型中考虑了空气中主要的53种化学反应，如表1、表2所示。
表1模型中考虑的气相反应
注：n2(v＝1–4)、n2(a)和n2(b)被视为n2；o2(v＝1–2)和o2(c)被视为o2；o(1d)被视为o。在本发明的模型中，这些被激发的粒子与它们各自的基态物质没有区别，但是这些物质的形成能包含在它们各自的反应中。表中e代表电子、te为电子温度。
表2模型中考虑的表面反应
不同的实施例，背景气体可以不一样，如在其他实施例中，背景气体可以采用氦气、氩气和空气中任一种。
步骤s112：将背景气体及所涉及的化学粒子及其化学反应式输入二维轴对称模型。
在本发明其中一个实施例中，导入反应式的具体步骤为：
a、先将模型的背景气体涉及到的电子碰撞反应的横截面数据导入二维轴对称模型中；
b、再将剩余激发、电离、附件反应式以及重粒子反应输入该模型，并设置相关的反应速率常数；
c、将涉及到的表面反应式及反应速率常数输入到二维轴对称模型中；
d、最后对二维轴对称模型涉及到的化学粒子进行物质类型定义，并设置其初始密度。
步骤s113：设置模型的边界条件，诸如接地边界、电势边界、电荷守恒区域、零电荷边界和电子密度壁边界。
步骤s114：对二维轴对称模型进行网格剖分。
在本发明其中一个实施例中，由于该模型较为复杂，而非结构化的三角形网格对各种复杂几何形状的结构进行剖分，能够有效降低计算模型的自由度数，具有较高的效率。相比较于其他方法，例如有限体积法，在有限元法下使用三角形网格需要的运算时间短，迭代次数少，且不会影响放电形态的变化。因此在本实施例中，为了更好地反应粒子的行为特征，使用有限元法搭配三角形网格对模型进行网格剖分。具体操作为：
a、首先选择用户控制网格，而不是系统自带的物理场控制网格。
b、使用超细化网格进行模型剖分，并设置相应的最大、最小网格大小、最大单元增长率和曲率因子参数。
c、对气隙内部区域的剖分采用映射方法，并且对气隙内部不同边界进行不同的剖分分布，使用不同的单元数和单元大小比。
d、最后对模型的其他区域，采用自由三角形网格进行剖分，并设置其迭代次数及要处理的最大单元深度参数。
本实施例得到的二维轴对称模型(即本实施例的放电数值仿真模型)如图1所示，横纵坐标分别为模型的长宽，绝缘材料采用环氧树脂。可以理解的是，针对不同电气设备或者背景气体中的局部放电，二维轴对称模型的形状和材料可以进行相应的改变。
步骤s12：采用构建好的局部放电数值仿真模型模拟放电过程，并将局部放电过程中的电子密度和电子碰撞频率转化为电气参数。
在本发明其中一个实施例中，电气参数包括介电常数和电导率，通过以下公式获得：
式中，ωpe代表等离子体密度，ne代表电子密度，e代表电子，me代表电子质量，ω代表监测区域的外施电压频率，vm代表电子碰撞频率，该等离子体受一个频率为ω的电场驱动。
在本发明其中一个实施例中，从仿真中可以得到的仿真结果包括：模型中所涉及的化学粒子时空演化图及其在气隙中的空间分布图，从结果中提取局部放电峰值时刻的电子碰撞频率、电子密度数据代入公式(1)、(2)、(3)中，即可得：
式中，e代表电子，me代表电子质量，ωpe代表等离子体密度，ne代表电子密度，vm代表电子碰撞频率，该等离子体受一个频率为ω的小幅电场驱动，在实际工程中，ω代表电气设备的外施电压频率。通过上述公式得到的电气参数代表局部放电产生的等离子体。
在本发明其中一个实施例中，所述二维轴对称模型模拟放电过程时，通过调节外施参数和改变局放缺陷类型得到具有不同放电特性的局部放电过程，进而获得不同放电特性下的电子密度和电子碰撞频率，根据不同放电特性下的电子密度和电子碰撞频率可以得到不同放电特性下的为电气参数。使得后续可以将不同放电特性下电气参数赋予到监测区域内，以在监测区域设置具有不同放电特性的局部放电的区域，再对比经过具有不同放电特性的局部放电区域，电磁波监测点接收到的数据变化。通过对比经过不同放电特性的局放区域后，监测点接收到的电磁数据变化，总结高频电磁波的传输特性，将总结出的特性应用在实验或实际应用中，可以在实验或实际应用中通过监测点得到的数据判断监测区域是否发生的局部放电。
步骤s2、在电磁场仿真软件中搭建局放电磁波检测模型，所述搭建局放电磁波检测模型包括选定监测区域、在监测区域外设置高频电磁波源以及在监测区域内其他部分设置监测点，并采用局部放电下的电气参数在局放电磁波检测模型中设置局放区域。
在本发明其中一个实施例中，电磁场仿真软件为xfdtd软件。
在本发明其中一个实施例中，电磁波检测模型的搭建步骤如下：
步骤s21、先构建一个同轴圆柱模型，模拟电气设备gis(空气绝缘开关)，在同轴圆柱模型内部分别填充真空介质和代表局部放电产生的等离子体介质，模型如图3所示，其中代表局放产生的等离子体的电气参数通过前面的步骤s12得到；
步骤s22、采用具有连续频率分布的高斯脉冲信号作为电磁波源电流波形，电流幅值为1a，频率设置为6ghz，模式为broadband(宽带)模式；
步骤s23、在同轴圆柱模型内距离局放区域的不同距离、不同位置设置监测点；
步骤s24、在同轴圆柱模型外设置高频电磁波源。
步骤s3、运行搭建好的局放电磁波检测模型，进行仿真，提取监测点的数据提取监测点接收的数据，如图4和图5所示。将发生局部放电和未发生局部放电时的数据进行比较，发生局部放电时的电场幅值低于未发生局部放电时电场幅值的十分之一，电磁波波形相应发生变化。
通过比较图4和图5，可以发现，当仿真内部出现局部放电时(图4)，监测点监测到的电场幅值较未发生局部放电(图5的真空情况)时大大下降。可知当模型内部有局部放电产生时，电磁波波形将发生剧烈变化。验证了本发明提供的一种局部放电检测方法的有效性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种局部放电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定需要进行局部放电监测的区域；
在监测区域外设置用于向监测区域发射电磁波的高频电磁波源；
在监测区域内部和外部分别设置数个电磁波接收监测点；
当监测区域内部未发生局部放电时，记录各监测点接收到的电磁波信号作为参照信号；
持续监控各监测点接收到的电磁波信号，通过比照监控时接收到的电磁波信号与参照信号之间的变化判断是否发生局部放电。
2.根据权利要求1所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，所述进行局部放电监测的区域是电气设备或者试验装置。
3.根据权利要求1或2任一所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，还包括采用仿真对所述方法进行验证的步骤，仿真步骤包括：
构建用于模拟局部放电行为及放电特性的局部放电数值仿真模型，得到局部放电下的电气参数；
在电磁场仿真软件中搭建局放电磁波检测模型，所述搭建局放电磁波检测模型包括选定监测区域、在监测区域外设置高频电磁波源以及在监测区域内的没有复杂结构处设置监测点；
当监测区域未设置局放区域时，观察高频电磁波源发出的电磁波被监测点接收到的波形；
将局部放电下的电气参数赋予到监测区域内，此时监测区域内赋予了所述电气参数的那部分区域为发生了局部放电的区域，观察此时高频电磁波源发出的电磁波被监测点接收到的波形，通过比较，此时的波形相对于未设置局放区域时接收到波形发生了改变。
4.根据权利要求3所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，构建局部放电数值仿真模型得到局部放电下的电气参数，步骤如下：
在仿真软件中建立二维轴对称模型，所述二维轴对称模型用于模拟带有空隙的均匀介质材料在外施电压时的放电情况，并将背景气体及所涉及的化学粒子及其化学反应式输入二维轴对称模型；
所述二维轴对称模型模拟放电过程，并将局部放电过程中的电子密度和电子碰撞频率转化为电气参数。
5.根据权利要求4所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，所述仿真软件为comsol仿真软件。
6.根据权利要求4所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，所述将放电过程的电子密度和电子碰撞频率转化为电气参数中，所述电气参数包括介电常数和电导率，所述电气参数的获得方式为：
从局部放电数值仿真模型中得到放电峰值时刻的电子密度值、电子碰撞频率值；
将所述电子密度值和所述电子碰撞频率值代入公式(1)、公式(2)和公式(3)，得到代表局部放电的所述介电常数和所述电导率；
式中，ωpe代表等离子体密度，ne代表电子密度，e代表电子，me代表电子质量，ω代表监测区域的外施电压频率，vm代表电子碰撞频率，该等离子体受一个频率为ω的电场驱动，ε0为真空介电常数，εr介电常数，σp为电导率，j为虚数单位。
7.根据权利要求4所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，所述局部放电数值仿真模型模拟放电过程时，通过调节外施参数和改变局放缺陷类型得到具有不同放电特性的局部放电过程，进而获得不同放电特性下的电子密度和电子碰撞频率，根据不同放电特性下的电子密度和电子碰撞频率得到不同放电特性下的为电气参数。
8.根据权利要求7所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，将不同放电特性下电气参数赋予到监测区域内，以在监测区域设置具有不同放电特性的局部放电的区域，再对比经过具有不同放电特性的局部放电区域，电磁波监测点接收到的数据变化。
9.根据权利要求3所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，所述电磁场仿真软件为xfdtd软件。
10.根据权利要求4-9任一所述的一种局部放电检测方法，其特征在于，基于等离子流体方程构建所述局部放电数值仿真模型，所述等离子流体方程描述了电子、正负离子三种粒子的动力学过程，所述等离子流体方程为：
其中，ne表示电子密度，гe表示电子通量，源项se描述了电子数密度由于化学反应而产生的变化，nε表示电子能量，гε别表示电子能量通量，电子能量源项sε表示由非弹性碰撞引起的能量的增益或损失，e代表电场强度，μe表示电子迁移率，de代表电子扩散系数，
